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Schaltregler
Ansatz: Anstelle des linear betriebenen Transistors einen Umschalter benutzten
Buck Converter (Abwärtsregler)
V0
V0=D·VS
VS
VS
engl. Switching Regulator, DC-DC Converter
Was ist zu erwarten?
Mittelwert der Rechteckspannung
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Buck Converter V/I Verlauf
Betrachtungsweise LC als Mittelwert-Filter
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Buck Converter
Diode ist in Sperrrichtung betrieben Spannung über L ist VS-V0
Strom durch L nimmt linear zu Energie wird in Induktivität gespeichert Der Kondensator wird geladen
Cap. Current
Remember
dt
dvCi
dt
diLv
CC
LL
Betrachtung V/I in Schalterphasen
Phase 1
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Buck Converter
Strom durch L muss weiter fliessen in gleicher Richtung Diode ist im Flussbetrieb (Schottky Diode verwenden) Spannung über L springt von VS-V0 auf -V0-VD
Strom durch L nimmt linear ab Induktivität gibt Energie an C weiter
Cap. Current
Betrachtung V/I in Schalterphasen
Phase 2
Remember
dt
dvCi
dt
diLv
CC
LL
Note: Nutze Modell ideale Diode VD = 0
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Buck Converter
Zeitlich parallel zum Laden: Sobald über C eine Spannung liegt fliesst ein Strom durch R Die Kapazität wird entladen Es stellt sich ein Gleichgewicht ein: Mittelwert der Rechteckspannung V0 weist einen geringen Dreieck Ripple auf mit der Schatlfrequenz
Cap. Current
V0 = D·VS D = Tastverhältnis am Schalter, D = Ton/(Ton+Toff)
Betrachtung V/I in Schalterphasen
Phase 2
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Buck Converter
Realisierung mit Power FET und Schottky Diode
VS V0
iL springt nicht ! Gleichgewicht: Mittelwert iL = Laststrom Io
FET: Enh. PMOS (auch NMOS)
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Buck Converter
Der sogenannte regulärer Betrieb ist gewährleistet solange der Strom durch die Induktivität nie den Wert 0 annimmt. Damit dies zutrifft muss die Induktivität eine Mindestgrösse besitzten: Die Kapazität wird so gross gewählt, dass
Sich eine gewünschte Welligkeit der Ausgangsspannungergibt:
Dimensionierung
Die Baugrösse der Spule wird durch maximalen Strom IL max bestimmt.
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Buck Converter Praxis
D = Vout/Vin • Regelung der Spannung über das Tastverhältnis
• Ersetzen der Diode durch zweiten Power MOSFET Die DS-Spannung des eingeschalteten MOSFET ist viel kleiner als die Schwellspannung einer Diode => höherer Wirkungsgrad
N-CH
L wird oft über den berechnet Wert hinaus, grosszügig überdimensioniert, um nicht lückenden Betrieb zu garantieren, auch wenn Ia,min unterschritten wird.
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Beispiel Buck Converter Chip
C2
L1
D1
Buck IC
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Beispiel Buck Converter Chip
C2
L1
D1
Buck IC
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Ansteuerung des p-Kanal MOSFET
Vorteil • Einfache Ansteuerung Nachteile • Eingangsspannung darf nur so hoch sein wie es der OPV erlaubt. P-Kanal MOSFETs haben schlechtere Eigenschaften als n-Kanal MOSFETs: • Sie sind langsamer • Vertragen weniger Strom • Haben einen höheren RDSon
Abb. Bisher verwendete einfache Ansteuerung des p-Kanal MOSFET
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Ansteuerung des n-Kanal MOSFET
Nachteil • Steuerspannung am Gate muss höher sein als Ue
Lösung • C1 wird in jedem Schaltzyklus auf die Spannung Ue geladen
Abb. Ansteuerschaltung des n-Kanal MOSFET mit Gewinnung der Spannungs-versorgung für die nötige hohe Gatespannung.
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Einstellung der Ausgangsspannung durch PWM
Durch Variation des Duty Cycle p kann Ua
eingestellt werden.
a eU U p
Signale bei analoger Realisierung einer Pulsweitenmodulation
Funktion • USZ … Sägezahnsignal oder Dreiecksignal mit konstanter Frequenz • UR … Steuerspannung die die Pulsweite bzw. tein einstellt • Ust … Pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal entsteht aus dem Vergleich von USZ mit Ust
mit einem Komparator (OPV ohne Gegen- und ohne Mitkopplung)
Blockschaltbild eines Spannungsreglers mit Buck Converter
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USZ UR
Ust
Ue Ua Ua
Ua
Ua,soll
Vollständiges Schaltbild eines Spannungsreglers mit Buck Converter
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Boost Converter (Aufwärts-Wandler)
dt
dvCi
dt
diLv
CC
LL
(A) Regulärer bzw. lückenloser Betrieb
1e
ein
UI
t L
1(?)
u sa
I
Lt
,minLI,maxLI
,max ,min: L LI I I
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Boost Converter (Aufwärts-Wandler)
dt
dvCi
dt
diLv
CC
LL
(A) Regulärer bzw. lückenloser Betrieb
1e
ein
UI
t L
1
a e
au s
UI
LU
t
a e
au s
TU U
t
,minLI,maxLI
,max ,min: L LI I I
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Boost Converter
(B) Lückender Betrieb
,min0 LI
Dimensionierung zur Einhaltung des regulären Betriebs
Nachteil Kondensator wird nur während kurzer Zeit aufgeladen => Hohe Welligkeit.
Regulärer Betrieb verlangt
Damit dies erfüllt muss gelten (ohne Herleitung)
,min :2
e ausa a
U tI I
p
L
,min2
e aus
a
LpU t
I
Regeln für die Dimensionierung:
a
a
TI pC
U
: einpT
t
,max1 2
a eL
I UI
p
T p
L
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Boost Converter in der Praxis
Tool: http://www.daycounter.com/LabBook/BoostConverter/Boost-Converter-Equations.phtml
P-CH
N-CH
Nie ohne Last ! Vout ∞
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Boost Converter Beispiel
Schaltfrequenz fs = 50 kHz
Eingangsspannung Ue = 1.2 V
Ausgangsspannung Ua = 5 V
Wunsch Ripple Ua = 0.2 V
Min. Ausgangsstrom Ia,min = 50 mA
61.2 4.8 10 0.7643.77
2 0.050L H
p = (Ua-Ue)/Ua= 0.76 (76%)
0.76 0.0503.75
0.2*50000C F
,min2
e aus
a
LpU t
I
a
a
TI pC
U
L wird oft über diesen Wert hinaus, grosszügig überdimensioniert, um nicht lückenden Betrieb zu garantieren, auch wenn Ia,min unterschritten wird.
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Boost Converter: Applikation
Batteriespeisung Solarzellen + hoher Wirkungsgrad - Ripple mit Taktfrequenz überlagert
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fs automatic adaptive up to 1 MHz
Boost Converter Chip
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Klasse D Verstärker
Hohe Gleichspannung
Audiosignal
Lautsprecher
Vom Buck Converter zum Audio Verstärker
Unterschiede: Tastverhältnis variabel Strom aus Cf abziehen durch Last und nachladen über Buck Lf, Cf als Filter für 20 kHz auslegen Taktrate so hoch wie möglich
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Klasse D Verstärker
N-CH und P-CH MOSFET
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Klasse D Verstärker
High Power mit Feedback Regelung für Pout
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Zusammenfassung
FET sind auch als Schalter vielseitig: Digital Logik (CMOS) und Schalter für Analogsignale |VDS| muss dafür viel kleiner VGS-Vt sein. Dimensionierung: VDS vorgeben, ID bestimmen, VGS berechnen. Lineare Spannungsregel zeigen ein sauberes Ausgangssignal, weisen aber meist einen schlechten Wirkungsgrad auf. Durch geschalteten MOSFET und Induktivität kann Energie von Eingangsquelle in Ausgangsquelle gewandelt werden. Tastverhältnis bestimmt Ausgangsspannung. typ. Wirkungsgrad > 90% Nachteil: Ausgangssignal enthält Ripple und spektrale Störungen Es gibt Abwärtswandler (Buck) und Aufwärtswandler (Boost) IC‘s bei denen nur L und C extern zugeschaltet werden müssen Ein Regelkreis sorgt für die korrekte Ausgangspannung bei variabler Quelle und Last
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Buck & Boost Lab
Berechnen und bauen sie nacheinander die folgenden getakteten Regler und messen die interessanten Grössen heraus: Variables D*, Vout, variable Last, Wirkungsgrad.
Buck: 8 VDC auf 4 VDC, Laststrom 200 mA (4 R‘s parallel), fs = 5 kHz, Ripple 100 mV
Boost: 1.5 V AAA Batterie auf 3 V, Last 1..2 LED parallel à 20 mA, fs = 5 kHz, Ripple 200 mV
P.S. Steckbrett schlecht geeignet, erlaubt nur fs = 5...20 kHz und qualitative Resultate. RF = 4 L- Wert: nur 10 mH und 20 mH vorhanden
P-Enh MOSFET: IRF9540 (Vt -2...-4 V), N-Enh MOSFET: IRF 540 (Vt 2…4 V), Diode: Schottky Power:1N5818
http://www.daycounter.com/Calculators/Switching-Converter-Calculator.phtml
Takt: 0V/8V Rechteck 50 Generator *Einige Lab Geni erlauben nur fixes D= 0.5
P
N N